二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统.pdf

《二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统.pdf（6页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010555288.4 (22)申请日 2020.06.17 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长沙市岳麓区麓山南 路2号 (72)发明人 廖高良张峰鄂加强陈敬炜 冷尔维 (74)专利代理机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 11246 代理人 刘妮 (51)Int.Cl. F01K 23/10(2006.01) F01K 25/10(2006.01) F01K 7/32(2006.01) F02G 5/02(2006.01) F02B 33/00(2。

2、006.01) (54)发明名称 二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机 废热利用系统 (57)摘要 本发明公开了车辆工程领域的二氧化碳布 雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 以 克服现有技术中废热回收系统中采用的工质不 同从而导致废热回收系统的庞大复杂的缺陷。 二 氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利 用系统， 包括沿废气循环路径中依次设置的内燃 机、 废热换热器、 透平、 高温回热器、 低温回热器、 预冷器、 主压缩机和再压缩机， 本发明采用二氧 化碳作为涡轮增压和布雷顿循环的单一工质， 利 用二氧化碳稳定的化学性质和临界温度低且临 界点附近具有较低压缩因子， 可回收高温废热且 具。

3、有结构紧凑、 热效率高等特点， 提高内燃机燃 料综合利用率； 布雷顿循环与涡轮增压可共用一 个透平进行动力输出， 降低了整体系统的复杂 性。 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 CN 111594289 A 2020.08.28 CN 111594289 A 1.二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其特征在于： 包括沿废气 循环路径中依次设置的内燃机、 废热换热器、 透平、 高温回热器、 低温回热器、 预冷器、 空气 压气机、 电机、 主压缩机和再压缩机， 所述透平内带有叶轮， 所述废热换热器承接内燃机高 温排气且废热换热器将热量传递至超临界二氧化碳， 高温高压超临界二氧化碳。

4、膨胀做功驱 动透平的叶轮旋转， 透平转动过程中驱动主压缩机、 再压缩机、 空气压气机和电机， 做功后 的超临界二氧化碳经过高温回热器和低温回热器， 在低温回热器内超临界二氧化碳分流为 主路径循环和次路径循环， 主路径的超临界二氧化碳经过预冷器、 主压缩机和高温回热器 后回流至废热换热器以完成主路径循环。 2.根据权利要求1所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 所述再压缩机的驱动件为透平， 且次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后， 次路径中的超临界二氧化碳与主路径的超临界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热， 最终 次路径的超临界二氧化碳回流至废热换热器以完成次。

5、路径循环。 3.根据权利要求2所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 所述低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分流 器， 分流器的入口处朝向低温回热器， 分流器的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机。 4.根据权利要求3所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 所述再压缩机与高温回热器的交汇处带有混合器， 混合器的接收端朝向主压缩 机和再压缩机， 混合器的出口处朝向高温回热器。 5.根据权利要求4所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 透平的输出轴与电机的驱动轴相连接， 利。

6、用超临界二氧化碳在透平内膨胀做功 驱动电机旋转， 从而向外输出电能。 6.根据权利要求5所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接， 透平驱动空气压气机将进口空气 压缩至一定压力， 提高燃烧室进口空气密度， 增加内燃机输出功率。 7.根据权利要求6所述的二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统， 其 特征在于： 内燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器， 将热量传递至 超临界二氧化碳。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111594289 A 2 二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热利用系统 技术领。

7、域 0001 本发明属于车辆工程领域， 具体是二氧化碳布雷顿循环和涡轮增压的内燃机废热 利用系统。 背景技术 0002 内燃机作为传统的动力输出装置， 广泛应用于工业驱动、 分布式能源系统、 船舰和 汽车动力等领域， 其燃料消耗占原油消耗的60左右。 然而， 燃料燃烧所释放的能量只有三 分之一被转化为输出动力， 大部分能量以废热的形式排放至大气中。 因此， 有效的回收内燃 机废热、 实现能量的梯级利用对于提高内燃机燃料综合利用效率具有重要意义。 0003 传统的内燃机废热回收方式主要为涡轮增压器和有机朗肯循环系统， 其中涡轮增 压器可回收排气中的高温能量， 而有机朗肯循环系统受工质易受热分解的。

8、限制只能回收部 分低温能量(100)。 0004 涡轮增压器中透平工质为内燃机成分复杂的排气， 其中含有的固体颗粒以及酸性 气体对透平叶片产生一定的冲蚀和腐蚀； 经过涡轮增压器的排气仍具有较高温度(300 500)， 而有机朗肯循环系统受工质性质的影响无法回收这部分高温能量， 节能效果不明 显； 废热回收装置(包括涡轮增压器和有机朗肯循环系统)所采用的工质不同(分别为排气 和有机工质)， 增加了系统的复杂性。 发明内容 0005 为了解决上述问题， 本发明的目的是提供一种单一工质循环的系统， 以节省废热 回收装置的占地面积和降低废热回收系统的复杂性。 0006 为了实现上述目的， 本发明的技术。

9、方案如下： 包括沿废气循环路径中依次设置的 内燃机、 废热换热器、 透平、 高温回热器、 低温回热器、 预冷器、 空气压气机、 电机、 主压缩机 和再压缩机， 所述透平内带有叶轮， 所述废热换热器承接内燃机高温排气且废热换热器将 热量传递至超临界二氧化碳， 高温高压超临界二氧化碳膨胀做功驱动透平的叶轮旋转， 透 平转动过程中驱动主压缩机、 再压缩机、 空气压气机和电机， 做功后的超临界二氧化碳经过 高温回热器和低温回热器， 在低温回热器内超临界二氧化碳分流为主路径循环和次路径循 环， 主路径的超临界二氧化碳经过预冷器、 主压缩机和高温回热器后回流至废热换热器以 完成主路径循环。 0007 进一。

10、步， 次路径的超临界二氧化碳的行程中设有再压缩机， 所述再压缩机的驱动 件为透平， 且次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后， 次路径中的超临界二氧化碳与 主路径的超临界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热， 最终次路径的超临界二氧化碳回流 至废热换热器以完成次路径循环。 0008 进一步， 低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分 流器， 分流器的入口处朝向低温回热器， 分流器的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机。 0009 进一步， 再压缩机与高温回热器的交汇处带有混合器， 混合器的接收端朝向主压 说明书 1/3 页 3 CN 111594289 A 3 缩机和再压缩机，。

11、 混合器的出口处朝向高温回热器。 0010 进一步， 透平的输出轴与电机的驱动轴相连接， 利用超临界二氧化碳在透平内膨 胀做功驱动电机旋转， 从而向外输出电能。 0011 进一步， 透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接， 透平驱动空气压气机将进 口空气压缩至一定压力， 提高燃烧室进口空气密度， 增加内燃机输出功率。 0012 进一步， 内燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器， 将热量 传递至超临界二氧化碳。 0013 采用上述方案后实现了以下有益效果： 0014 1、 本发明采用二氧化碳作为涡轮增压和布雷顿循环的单一工质， 利用二氧化碳稳 定的化学性质(受热不易分解)和临界温。

12、度低且临界点附近具有较低压缩因子(可有效降低 压缩机耗功)， 可回收高温废热且具有结构紧凑、 热效率高等特点， 提高内燃机燃料综合利 用率； 布雷顿循环与涡轮增压可共用一个透平进行动力输出， 降低了整体系统的复杂性。 0015 2、 本发明可利用超临界二氧化碳的特殊性质， 回收内燃机排气废热从而提供能源 综合利用效率； 通过透平驱动压气机对空气进行增压， 改善内燃机燃料燃烧效率， 提高燃料 利用率； 超临界二氧化碳布雷顿循环系统与涡轮增压器共用一个透平， 降低投资成本以及 整体系统的复杂性。 附图说明 0016 图1为本发明实施例的示意图。 具体实施方式 0017 下面通过具体实施方式进一步详。

13、细说明： 0018 说明书附图中的附图标记包括： 内燃机1、 废热换热器2、 透平3、 高温回热器4、 低温 回热器5、 预冷器6、 主压缩机7、 再压缩机8、 分流器9、 电机10、 混合器11、 空气压气机12。 0019 实施例基本如附图1所示： 包括沿废气循环路径中依次设置的内燃机、 废热换热 器、 透平、 高温回热器、 低温回热器、 预冷器、 空气压气机、 电机、 主压缩机和再压缩机， 所述 透平内带有叶轮， 所述废热换热器承接内燃机高温排气且废热换热器将热量传递至透平 内， 超临界二氧化碳膨胀做功驱动透平的叶轮旋转， 透平转动过程中驱动主压缩机、 再压缩 机、 空气压气机和电机， 。

14、做功后的超临界二氧化碳经过高温回热器和低温回热器， 在低温回 热器内超临界二氧化碳分流为主路径循环和次路径循环， 主路径的超临界二氧化碳经过预 冷器、 主压缩机和高温回热器后回流至废热换热器以完成主路径循环。 0020 次路径的超临界二氧化碳的行程中设有再压缩机， 再压缩机的驱动件为透平， 且 次路径的超临界二氧化碳先经过再压缩机后， 次路径中的超临界二氧化碳与主路径的超临 界二氧化碳交汇于高温回热器一同加热， 最终次路径的超临界二氧化碳回流至废热换热器 以完成次路径循环。 0021 低温回热器与再压缩机的交汇处带有分流主路径循环和次路径循环的分流器， 分 流器的入口处朝向低温回热器， 分流器。

15、的两个出口处分别朝向预冷器和再压缩机， 再压缩 机与高温回热器的交汇处带有混合器， 混合器的接收端朝向主压缩机和再压缩机， 混合器 的出口处朝向高温回热器。 说明书 2/3 页 4 CN 111594289 A 4 0022 透平的输出轴与电机的驱动轴相连接， 利用超临界二氧化碳在透平内膨胀做功驱 动电机旋转， 从而向外输出电能， 透平的输出轴与空气压气机的驱动轴相连接， 透平驱动空 气压气机将进口空气压缩至一定压力， 提高燃烧室进口空气密度， 增加内燃机输出功率， 内 燃机燃料与空气在气缸内燃烧后的高温排气进入废热换热器， 将热量传递至超临界二氧化 碳。 0023 具体实施过程如下： 内燃机。

16、高温排气经废热换热器将热量传递至超临界二氧化 碳， 超临界二氧化碳在透平中膨胀做功， 做功后的超临界二氧化碳依次经过高温回热器、 低 温回热器， 从低温回热器出来的工质一分为二， 一部分经过预冷器进入主压缩机中被压缩 并在低温回热器中吸热， 另一部分进入再压缩机中被压缩， 两股工质汇合后经高温回热器 加热， 进入废热换热器； 超临界二氧化碳透平膨胀做功一部分为主压缩机和再压缩机提供 动力， 一部分为空气压气机提供动力， 其余以电的形式输出， 其中空气压气机通过提高空气 压力改善燃料在内燃机内的燃烧效果， 提高燃料利用率。 0024 本发明可利用超临界二氧化碳的特殊性质， 回收内燃机排气废热从而。

17、提供能源综 合利用效率； 通过透平驱动压气机对空气进行增压， 改善内燃机燃料燃烧效率， 提高燃料利 用率； 超临界二氧化碳布雷顿循环系统与涡轮增压器共用一个透平， 降低投资成本以及整 体系统的复杂性。 0025 需要说明的是， 在本文中， 诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来， 而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。 而且， 术语 “包括” 、“包含” 或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含， 从而使得包括一系列要素的过程、 方法、 物品或者设备不仅包括那些要 素， 而且还包括没有明确列出的其他要素， 或者是。

18、还包括为这种过程、 方法、 物品或者设备 所固有的要素。 0026 以上所述的仅是本发明的实施例， 方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作 过多描述， 所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的 普通技术知识， 能够获知该领域中所有的现有技术， 并且具有应用该日期之前常规实验手 段的能力， 所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下， 结合自身能力完善并实施 本方案， 一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请 的障碍。 应当指出， 对于本领域的技术人员来说， 在不脱离本发明结构的前提下， 还可以作 出若干变形和改进， 这些也应该视为本发明的保护范围， 这些都不会影响本发明实施的效 果和专利的实用性。 本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准， 说明书中的具 体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。 说明书 3/3 页 5 CN 111594289 A 5 图1 说明书附图 1/1 页 6 CN 111594289 A 6 。